2026 ASME B31.1 P91 高溫高壓管線精密製造與氫能整合：協作廠商技術檢討與專案風險分析報告 (Precision Fabrication of P91 High-Temperature and High-Pressure Piping and Hydrogen Integration under 2026 ASME B31.1 Power Piping Code: Technical Review of Collaborating Vendors and Project Risk Analysis Report)

一、緒論: 透過 “BIM-to-Fab” 數位流程確保設計即製造

隨著全球能源轉型對燃氣渦輪循環火力發電（CCPP）效率要求的提升，發電系統正朝向超臨界壓力與更高工作溫度的方向演進。在這一進程中，改質 9Cr-1Mo 鋼（Grade 91，包括 P91 管材與 T91 管件）已成為高能管系（High Energy Piping）的首選材料 ¹。然而，2026 年美國機械工程師學會（ASME）針對 B31.1（動力管線）與 B31.12（氫能管線）的修訂，為產業鏈中的協作廠商帶來了嚴峻的技術挑戰與法規遵循門檻 ²。

動力工程管線正進入數位轉型與材料極限挑戰的交匯點。2026 年 ASME 規範的結構性更動，特別是強制性附錄 Q 與 R 的加入，標誌著品質管理由傳統的後驗模式轉向數位化即時驗證 ²。對於 P91 高能管系而言，這不僅涉及微觀組織的精密控制，更需在氫能整合趨勢下，應對材料性能因子（M_f）所帶來的壁厚懲罰與原子級別的脆化風險 ⁴。作為協作廠商，必須在前端 Spooling 階段即導入「製造與裝配設計」（DfMA）理念，透過數位孿生技術同步製造數據，以預見並化解製造與安裝障礙。這不僅是技術合規的展現，更是協助大承包商在嚴苛工期與高品質要求下，達成專案最終利潤與資產長期安全的核心戰略路徑。

本報告從協作廠商的專業視角出發，檢討 P91 高溫高壓管線的精密冷作彎管製造技術、感應式退應力熱處理工法、設計協同中的數位孿生應用，以及現場安裝過程中的關鍵障礙。

二、 2026 年 ASME 規範修訂重點與協作廠商之合規責任

ASME 規範的演進反映了工業界對於安全性與運營效率平衡的追求。2024 年至 2026 年的修訂週期中，B31.1 與 B31.12 的變革最為顯著 。

2.1 ASME B31.1 2026 修訂的核心：CPS 管理與品質強制化

2026 年版本的 ASME B31.1 進一步強化了關鍵管線的監控要求。新增的強制性附錄 Q 定義了金屬非鍋爐外部管線覆蓋管系（NBEP-CPS）的品質管理程序要求，而附錄 R 則嚴格規範了文件、記錄與報告的提交標準 。這要求協作廠商必須從單純的「製造商」轉型為「數據提供者」，每一道彎管的加熱曲線、每一口銲縫的熱處理參數，都必須具備數位化的可追溯性 。

此外，規範刪除了原有的附錄 D，並強制要求使用 ASME B31J 作為壓力管線組件應力增強係數（SIFs）與柔性係數的唯一計算標準 。協作廠商在前端設計協同階段，必須提供更精確的組件參數以支持有限元素分析（FEA）。

2.2 氫能整合與 ASME B31.12 的規範融合趨勢

隨著 CCPP 轉向氫氣混燒，2026 年新規範趨勢顯示，ASME 計劃將 B31.12 的核心要求逐步整合至相關標準中 。在這一過程中，材料性能因子（Material Performance Factor, M_f）成為設計核心，旨在對氫環境下的材料強度進行折減 ⁴。根據 M_f 因子，高強度鋼材在氫環境下受損風險較高，迫使設計者選用更厚的管壁，這對協作廠商的加工設備能力提出了更高要求 ⁴。

三、 P91 鋼材之冶金機制與微觀組織控制檢討

P91 鋼材的卓越性能源於其精確的「潛變強度強化鐵素體鋼」（CSEF）結構 。協作廠商必須深刻理解其微觀演變規律，才能在加工過程中維持設計強度。

3.1 麻田散鐵組織與 MX 析出相的穩定性

P91 鋼材在經過 1040°C 至 1080°C 的正常化處理後，轉變為完全的麻田散鐵組織 。隨後的淬火或回火處理（730°C 至 800°C）旨在析出富鉻的 M₂₃C₆ 碳化物與 MX 型碳氮化物 。

MX 析出相的關鍵作用在於位錯釘紮（Dislocation Pinning），阻止位錯運動與晶界滑移 。若在製造過程中加熱溫度不當（如超過A_c1 溫度），MX 相會粗化或溶解，導致組織發生回復（Recovery），麻田散鐵板條消失並轉變為塊狀鐵素體，進而導致潛變強度驟降 。

3.2 硬度控制作為關鍵性能指標 (KPI)

在協作廠商的生產流程中，硬度測試是判斷熱處理成功與否的最重要現場工具。ASME 標準規定 P91 硬度範圍應落在 190 至 250 HBW（或 185-248 HBW）之間 。

硬度區間 (HBW/HV)	組織狀態判定	運營風險分析
< 185 HBW (175 HV)	欠回火或過度加熱，組織軟化	潛變斷裂壽命縮短，極易發生 Type IV 開裂
190 – 250 HBW	典型的回火麻田散鐵	符合設計壽命要求，具備良好韌性
> 280 HBW (400 HV)	未回火麻田散鐵或冷卻過快	韌性不足，具備極高的應力腐蝕開裂 (SCC) 風險

四、 精密冷作彎管製造技術與感應式退應力熱處理工法檢討

在高效率 CCPP 的設計中，減少銲縫數量是提升可靠度的核心策略。精密冷作彎管（Cold Bending）結合感應式退應力處理，正成為確保 P91 長期服役安全的首選工法 。

4.1 精密冷作彎管（Cold Bending）的技術優勢與局限

對於 P91 鋼材，冷作工法具備以下核心競爭力：

1. 規備熱影響區（HAZ）軟化風險：冷作過程無熱輸入，完全避免了熱彎工法中常見的組織劣化或過度回火風險 。
2. 高精確度與 CNC 控制：透過 CNC 數控系統與芯棒（Mandrel）支援，冷彎能實現極高的幾何精度（如彎曲角度 ±0.5 度），確保預製管段與 BIM 模型完美匹配 。
3. 減薄率與公差管控：ASME B31.1 要求彎後的實際最小壁厚不得低於設計值 t_m。對於 R/D 3~5 的冷彎，實際減薄量通常控制在 12% 左右 ⁸。

然而，冷作會導致材料加工硬化並產生殘餘應力。根據規範，對於 P-No. 5 材料，當公稱管徑（NPS）達 4 英吋或壁厚達 1/2 英吋以上時，必須進行應力消除熱處理 。

4.2 感應式加熱在退應力處理中的關鍵作用

針對 P91 冷彎管件，感應加熱被證明優於傳統電阻加熱毯：

• 加熱均勻性與效率：感應加熱由材料內部產生渦流發熱，預熱時間可由 2 小時縮短至 30-60 分鐘 。
• 精確控溫：溫度可精確控制在 ±5°C 至 ±10°C 內，有效避免因溫度超過 A_c1 下限導致的材料軟化 。
• 合規數據監控：設備可自動紀錄完整的熱處理曲線，產出符合 ASME 附錄 R 管理要求的數位「硬拷貝」紀錄 。

五、設計協同：從前端 Spooling 設計到後端冷彎執行

2026 年的高階動力工程環境要求設計與製造的高度整合。協作廠商必須實現「設計前端」與「製造後端」的數位無縫銜接 。

5.1 BIM LOD 400+：數位驅動的預製工法

協作廠商在 CCPP 專案中的價值體現於將複雜系統轉化為可執行數據：

1. 前端 Spooling 精準設計：利用 LOD 400+ 模型在前端完成管段拆圖（Spooling），模型包含精確的支吊架位置、銲縫編號及組裝順序 。透過 3D 協同環境可預先進行衝突檢測，解決高壓蒸汽管與鋼結構間的干涉，減少現場修改成本 。
2. 後端冷彎自動化執行：透過 “BIM-to-Fab” 數位流程，模型資訊直接轉化為 CNC 冷作彎管機的加工參數，確保「設計即製造」 。

5.2 數位孿生與實時製造監控

數位孿生技術實現了製造現場與虛擬模型的動態同步 。在 P91 加工過程中，現場感測器數據透過 MQTT 或 OPC UA 協議回傳，使承包商能實時驗證工法合規性，根據實證，這能降低約 31% 的成本超支風險 。

六、現場安裝障礙與銲接技術檢討：流體安全性與熱控制

P91 管線的現場安裝是 CCPP 建設中最脆弱的環節。協作廠商必須應對嚴苛的熱循環與幾何公差限制 。

6.1 現場銲接的精密熱控制障礙

P91 銲接必須嚴格遵循預熱（204°C 至 315°C）、層間溫度與銲後氫烘烤 。

• 關鍵冷卻點：銲接完成後必須冷卻至 100°C 以下，確保組織完全轉變為麻田散鐵後方可啟動 PWHT，否則將導致潛變強度驟降 。
• 感應加熱優勢：採用變頻感應加熱系統可提供更高的熱滲透性，避免局部過熱（Hot Spots），並自動紀錄符合規範的熱處理紀錄 。

6.2 先進工法之應用：GMAW-RMD 與背面保護氣管理

• 工法優化：引入改進型短路轉移工法（如 RMD），可行進速度提升 3 至 4 倍，並在某些情況下實現「無背面保護氣」（No Backing Gas, NBG）銲接，顯著降低成本與置換時間 。
• 流體安全性 (FAC) 預防：銲道根部過高（不得超過 3 mm 或壁厚的 25%）會誘發劇烈湍流，剝離保護性的富鉻氧化層，引發流動加速腐蝕（FAC） 。

七、失效分析、品質保證與經濟性影響：協作廠商的風險防範

P91 管線的失效案例多與熱處理或材料追溯不當相關，這對專案利潤具有毀滅性影響 。

7.1 重大失效案例檢討與教訓

• Harquahala 電廠事故：PMI 檢測發現關鍵銲口誤用了25Cr 銲材而非 P91（9Cr） 。這種異材銲接在高溫下會產生碳遷移，極易導致開裂。最終該缺陷導致冶金調查規模擴大三倍，嚴重延誤工期 。
• 中國「偽造材料」事故：2006 年因使用偽造 P91 無縫管（實為熱擴管）導致爆管，造成 6 人死亡，管線在運行僅 8 週後即發生長達 35 英吋的縱向撕裂 。這凸顯了正向材料辨識（PMI）與可追溯性的強制性意義。

7.2 經濟指標與生產率度量

協作廠商通常以「加權直徑英吋」（FDI）衡量效率。對於 P91 鋼材，由於加工難度大，其材料因子通常設定為 2.0 。

• KPI 目標：2026 年新規範目標要求銲接拒收率（WRR）低於 5% 。
• 積壓管理：透過協作管理，應將 NDT 積壓數控制在 1 週生產量內 。

八、氫能整合下的特殊製造障礙與 ASME B31.12 技術檢討

隨著 CCPP 向氫能整合發展，管線系統必須應對氫脆化（Hydrogen Embrittlement）帶來的多重挑戰 。

8.1 M_f 材料性能因子與壁厚懲罰

在 2026 年氫能專案中，ASME B31.12 強制應用 M_f 因子：

• 設計應力折減：M_f 隨鋼材強度提升而懲罰越重，導致壁厚增加約 10-28% 。
• 製造成本：厚壁化增加了冷作彎管的載荷要求與原材料成本。

8.2 嚴格的硬度紅線與延展性損耗

• 22 HRC 限制：ASME B31.12 要求銲縫及 HAZ 硬度限制在 22 HRC（237 HBW）以下，以防止氫誘發開裂 。
• 性能衰減：研究顯示，在氫環境下 P91 的伸長率可能下降 29% 至 50%，顯著降低了系統應對熱膨脹應力的能力 。
• 檢測難度：氫原子極小，要求更嚴苛的表面拋光與內檢測設備（ILI）配置 。

九、協作廠商之應對策略與技術結論：引領 2026 動力工程轉型

面對 2026 年 ASME 規範的轉向，協作廠商必須從傳統模式轉向「數位資產驅動型」模式 。

9.1 建立五階段風險管理框架 (RMF)

為確保專案利潤，廠商應建立標準化風險體系：

1. 識別：投標階段即識別 P91 厚度敏感區與氫能 M_f 懲罰點 。
2. 分析：評估供應鏈不穩或 PMI 檢測失敗對工期的衝擊 。
3. 回應規劃：針對異材銲接預備雙供應商策略，並增加時程浮動緩衝 。
4. 監控：利用數位工具追蹤 NDT 積壓數與品質指標 。
5. 數位驗證：實施模型驗證以減少現場返工風險 。

9.2 技術轉型路徑：AI 與數位孿生

• AI 原生加工：利用感測器反饋自動調節冷作彎管機的加工參數，補償 P91 材料的彈回誤差（Springback） 。
• 數據即資產：將每一次冷彎、每一道感應退應力循環視為「數據事件」，整合進數位孿生生態系統中，作為資產壽命保證的依據 。
• 深度 DfMA：目標減少 51% 零件數量，將組裝時間縮短 20-40%，實現「設計即製造」之成熟度 。

9.3 總結

2026 年精密管線工程的成功，取決於廠商能否提供全數位化的合規證明。P91 與氫能系統的高度冶金敏感性，要求協作廠商必須主動介入前端 Spooling 設計，透過規避 HAZ 損害、實施 AI 驅動的冷彎工法、以及建立符合 ASME 附錄 R 的數位追蹤鏈，為大承包商確保最高等級的專案利潤與資產完整性。

參考文獻

1. ASTM A335 Grade P91 Alloy Steel Seamless Pipe – U.S. Metals, https://www.usmetals.com/alloy-pipe-seamless-p91.html
2. 1 – Power Piping – ASME, https://www.asme.org/codes-standards/find-codes-standards/b31-1-power-piping
3. Pipe Fittings, Induction Bending, Pipe Fittings, ASME B16.49 – Wermac.org, https://www.wermac.org/fittings/hot_induction_bends.html
4. ASME B31.3 vs ASME B31.12: The Hydrogen Thickness Penalty (2026) – EPCLand, https://epcland.com/asme-b31-3-vs-b31-12-hydrogen-piping/
5. BIM-Based MEP Coordination for Multi-Trade Collaboration – Hitech CADD Services, https://www.hitechcaddservices.com/news/bim-mep-coordination-for-multi-trade-collaboration/
6. Pipe Bending Process Explained: From Product Design to Quality Control and Delivery – Pipe/Tube Bending, Fabrication, & Deformation for Automotive, https://pipe-pti.com/pipe-bending-process-explained-from-product-design-to-quality-control-and-delivery/
7. Finite element simulation of welded P91 steel pipe undergoing post-weld heat treatment, https://www.researchgate.net/publication/233497204_Finite_element_simulation_of_welded_P91_steel_pipe_undergoing_post-weld_heat_treatment
8. ASTM A335 P91 Pipe Specification (Chrome Moly Pipe) – Octal Steel, https://www.octalsteel.com/resources/astm-a335-p91-pipe/
9. PIPE BENDING METHODS, TOLERANCES, PROCESS AND MATERIAL REQUIREMENTS, https://asbending.com/wp-content/uploads/2023/09/PFI-ES-24-Pipe-Bending-Methods-Tolerances-etc.pdf
10. ASME B31.1-2024: Power Piping [New] [Changes] – The ANSI Blog, https://blog.ansi.org/ansi/asme-b31-1-2024-power-piping-changes/